催化剂的机能及操纵

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所属分类:催化剂
据统计,当今90%的化学工业中均包含有催化(catalysis)过程,催化 剂( catalyst )在化上生产中占有相当重要的地位,其作用主要体现 在以下几方面。 1.提高反应速率和选择性 2.改进操作条
催化剂的机能及操纵

催化剂的机能及操纵

  

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催化剂的机能及操纵

  据统计,当今90%的化学工业中均包含有催化(catalysis)过程,催化 剂( catalyst )在化上生产中占有相当重要的地位,其作用主要体现 在以下几方面。 1.提高反应速率和选择性 2.改进操作条件 3.催化剂有助于开发新的反应过程,发展新的化工技术 4.催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用 ①借助催化剂从这些自然资源出发生产出数量更多、质量 更好的二次能源; ②在清除污染物的诸方法中,催化法是具有巨大潜力的一种。 3.1 催化剂的基本特征 催化剂:在一个反应系统中因加入了某种物质而使化学反应速 率明显加快,但该物质在反应前后的数量和化学性质不变。 催化剂的作用:能与反应物生成不稳定中间化合物,改变了反 应途径,活化能得以降低。 自催化作用:有些反应所产生的某种产物也会使反应迅速加快。 负催化剂或阻化剂:能明显降低反应速率的物质。 催化剂的三个基本特征: ①催化剂是参与了反应的,但反应终了时,催化剂本身未发生化学性质和 数量的变化; ②催化剂只能缩短达到化学平衡的时间(即加速作用),但不能改变平衡; ③催化剂具有明显的选择性,特定的催化剂只能催化特定的反应。 3.2 催化剂的分类 催化剂=活性组分+助催化剂+载体 3.2.1 活性组分 按催化反应体系的物相均一性分: 均相催化剂和非均相催化剂(固体催化剂); 按反应类别分: 加氢、脱氢、氧化、裂化、水合、聚合、烷基化、异构化、芳构化、羰基 化、卤化等众多催化剂; 按反应机理分:氧化还原型催化剂、酸碱催化剂等; 按使用条件下的物态分: 1.固体催化剂:金属催化剂、氧化物催化剂和硫化物催化剂等; 2.液态催化剂:均相络合物催化剂; 以过渡金属如Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Mo、 W、Ag、Pd、Pt、Ru、Rh 等为中心原子,通过共价键或配位键与各种配位体构成络合物,过渡金属 价态的可变性及其与不同性质配位体的结合,给出了多种多样的催化功能。 优点:①以分子态均匀地分布在液相反应体系中,催化效率很高。 ②在溶液中每个催化剂分子都是具有同等性质的活性单位,因而只能 催化特定反应,故选择性很高。 缺点:催化剂与产物的分离较复杂,价格较昂贵。 3.酸催化剂比碱催化剂应用广泛; 4.工业用生物催化剂:活细胞和游离或固定的酶的总称。 优点:具有能在常温常压下反应、反应速率快、催化作用专一(选择性高)。 缺点:不耐热、易受某些化学物质及杂菌的破坏而失活,稳定性差、寿命短、 对温度和pH值范围要求苛刻,酶催化剂的价格较昂贵。 3.2.2 助催化剂(促进剂): 作用:提高活性或改善诸如机械强度、活性组分分散度、抗碳、 抗烧结、抗水合等性能。 3.2.3 载体 特点:大比表面积,应具有足够的机械强度,使催化剂在储存、 运输、装卸和使用中不易破碎或粉化。 提高固体催化剂中活性表面的最有效 的办法是采用大比表面积的载体, 3.3 工业催化剂使用中的有关问题 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 工业催化剂的使用性能 催化剂的活化 催化剂的失活和再生 运输、贮存和装卸 3.3.1 工业催化剂的使用性能 活性:在给定的温度、压力和反应物流量(或空间速度)下,催化 剂使原料转化的能力。 选择性:指反应所消耗的原料中有多少转化为目的产物。 当催化剂的活性与选择性难以两全其美时, 若反应原料昂贵或产物分离很困难,宜选用选择性高的催化剂; 若原料价廉易得或产物易分离,则可选用活性高的催化剂。 寿命:其使用期限的长短,寿命的表征是生产单位量产品所消耗 的催化剂量,或在满足生产要求的技术水平上催化剂能使用的 时间长短。 催化剂的寿命受以下几方面性能影响: ①化学稳定性:催化剂的化学组成和化合状态在使用条件下发生 变化的难易。 ②热稳定性:指催化剂在反应条件下对热破坏的耐受力。 ③机械稳定性:指固体催化剂在反应条件下的强度是否足够。 ④耐毒性:指催化制对有毒物质的抵抗力或耐受力。 多数催化剂容易受到一些物质的毒害,中毒后的催化剂活性和 选择性显著降低或完全失去,缩短了它的使用寿命。 不同催化剂的毒物是不同的,常见的毒物有砷、硫、氯的化合 物及铅等重金属。 在有些反应中,特意加入某种物质去毒害催化剂中促进副反应 的活性中心,从而提高了选择性。 除了应研制具有优良性能、长寿命的催化剂外,在生产中必须正 确操作和控制反应参数,防止损害催化剂。 3.3.2 催化剂的活化 还原、氧化、硫化、 酸化、热处理等 固体催化剂在出售时的 状态一般是较稳定的, 方法 活性的状态 每种活化方法均自各自的活化条件和操作要求,应该严格按照 操作规程进行活化,才能保证催化剂发挥良好的作用。 如果活化操作失误,轻则使催化剂性能下降,重则使催化剂报 废,经济损失巨大。 3.3.3 催化剂的失活和再生 1.失活的原因: 络合催化剂:主要是超温,大多数配合物在250℃以上就分解而 失活; 生物催化剂:过热、化学物质和杂菌的污染、pH值失调等均是 失活的原因; 固体催化剂: ①超温过热,使催化剂表面发生烧结,晶型转变或物相转变; ②原料气中混有毒物杂质,使催化剂中毒; ③有污垢覆盖催化剂表面; 有烃类或其他含碳化合物参加的反应往往易析碳,催化剂酸性过强或催化 活性较低时析碳严重,发生积碳或结焦,覆盖催化剂活性中心,导致失活。 2.失活类型:催化剂中毒有暂时性和永久性两种情况。 暂时性中毒是可逆的,当原料中除去毒物后,催化剂可逐渐恢复活性; 永久性中毒则是不可逆的。 3.采取措施: ①严格控制操作条件,采用结构合理的反应器; ②使反应温度在催化剂最佳使用温度范围内合理地分布,防止超温; ③反应原料中的毒物杂质应该预先加以脱除,使毒物含量低于催化剂耐受值 以下; ④在有析碳反应的体系中,应采用有利于防止析碳的反应条件,并选用抗碳 性能高的催化剂。 3.3.4 运输、贮存和装卸 ☆催化剂一般价格较贵,要注意保护。 ☆在运输和贮藏中应防止其受污染和破坏; ☆固体催化剂在装填于反应器中时,要防止污染和破裂。 装填要均匀,避免出现“架桥”现象,以防止反应工况恶化。 ☆许多催化剂使用后在停工卸出之前,需要进行钝化处理。 尤其是金属催化剂一定要经过低含氧量的气体钝化后,才能暴露于空气, 否则遇空气剧烈氧化自燃,烧坏催化剂和设备。

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